基于ANSYS的秸秆活塞式成型特性及摩擦热分析

论文摘要

秸秆固化成型技术能使松散的秸秆致密化,提高秸秆能量密度和燃烧特性,使其可作为清洁能源直接替代煤用于生产生活各个领域,同时也能解决秸秆储存、运输困难问题,是实现秸秆综合化、规模化利用的重要技术手段。但是目前该技术尚需在成型过程特性及成型摩擦热方面加深理论研究,揭示秸秆成型粘结机理,为成型制品品质预测和控制、设备优化提供理论依据。本文通过对秸秆化学组成、物理特性及常温成型机理的分析,得出影响秸秆常温固化成型品质的关键因素是压缩力和成型过程中的摩擦热。基于该结论,根据活塞式成型技术间歇式生产的特点,对活塞一次冲压成型中成型力变化和物料移动进行实验研究,提出适合活塞式成型技术的“半闭式”成型模型,即成型过程未达到推移阶段前,物料相当于在由模具和靠摩擦力作用下保持静止的已成型制品组成的闭式环境中进行压缩。运用弹塑性力学、接触力学、粘弹性和有限元理论对秸秆固化成型主压缩阶段进行限元分析,研究主压缩阶段物料形变规律、应力分布及接触应力情况,为模具设计和成型工艺改进提供方法指导和依据。基于摩擦学、传热学原理,结合秸秆活塞式常温成型技术的特点,对成型过程中的摩擦热问题进行研究,通过引入平均压力、当量速度等物理量推导成型过程中摩擦热产生方程,将成型过程摩擦热问题转化为第二、三类边界条件的无内热源的非稳态传热问题；建立成型摩擦热有限元分析模型,对摩擦热引起的温度场分布进行研究,并通过实验验证有限元模拟的正确性,得出摩擦热引起的温度场变化规律；通过对实验样机在不同生产率条件下的摩擦热模拟分析,研究表明模具在摩擦热作用下,温度随着时间升高并稳定在一定温度,其增长速度和稳态温度随着生产率的提高而提高。在摩擦热引起的温度场规律研究基础上,针对目前秸秆类生物质材料的热物性参数欠缺的现状,进行了秸秆物性参数的实验研究,得出秸秆导热系数、比热随含水率、温度和密度的变化规律,为本文研究摩擦热引起的温度场在成型制品的传导提供数据支持的同时,也能为秸秆类材料热相关的技术研究提供依据；建立秸秆成型过程中摩擦热传导模型,分析不同条件下摩擦热在制品内的分布及对木质素粘结作用进行分析,研究表明制品内温度场分布是由模具温度和制品在模具内滞留时间共同决定的；对于本文实验样机,虽然当生产率为60kg/h时,摩擦热引起的温度场能达到220～230℃,生产率为50kg/h时温度场为180～190℃,但是由于制品在模具内滞留时间的影响,生产率为50kg/h,制品中心木质素也能达到软化温度,成型品质较高；该研究能为成型生产工艺改进、提高成型品质和设备设计提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 成型工艺与设备简介
• 1.2.1 活塞式成型
• 1.2.2 螺旋式成型
• 1.2.3 模压式成型
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 压缩特性研究
• 1.3.2 流变学研究
• 1.3.3 应力应变分布规律
• 1.3.4 成型影响因素及优化研究
• 1.4 研究中存在的问题
• 1.5 课题研究内容
• 第2章 秸秆常温活塞式固化成型技术
• 2.1 秸秆成型特性分析
• 2.1.1 基本化学组成
• 2.1.2 主要化学成分在成型过程中的作用
• 2.1.3 物理特性
• 2.1.4 成型机理
• 2.2 秸秆活塞式成型过程分析
• 2.2.1 结构及工作过程
• 2.2.2 活塞式冲压成型技术特点
• 2.2.3 成型过程的分解
• 2.2.4 保证成型品质的关键阶段
• 2.3 秸秆固化成型中的非线性问题
• 2.3.1 有限变形描述
• 2.3.2 弹塑性非线性
• 2.3.3 接触非线性
• 2.4 本章小结
• 第3章 秸秆活塞式固化成型主压缩分析
• 3.1 引言
• 3.2 可压缩连续体假设
• 3.3 秸秆固化成型有限元弹塑性本构方程
• 3.3.1 屈服准则
• 3.3.2 强化准则
• 3.3.3 流动准则
• 3.3.4 秸秆固化成型本构方程
• 3.4 秸秆固化成型有限元对接触问题的处理
• 3.5 秸秆固化成型主压缩有限元模拟
• 3.5.1 建立模型
• 3.5.2 选择单元和材料特性
• 3.5.3 网格划分
• 3.5.4 定义接触
• 3.5.5 施加载荷并求解
• 3.6 模拟结果分析
• 3.6.1 位移场分布
• 3.6.2 应力分析
• 3.6.3 接触应力分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 成型摩擦热分析
• 4.1 引言
• 4.2 成型各阶段摩擦热及影响
• 4.3 摩擦热的计算
• 4.3.1 基本假设
• 4.3.2 摩擦热的计算
• 4.3.3 摩擦热影响因素分析
• 4.4 传热基本方程和边界条件
• 4.4.1 传热方程及推导
• 4.4.2 单值性条件
• 4.4.3 温度场求解
• 4.5 摩擦热有限元模拟
• 4.5.1 模型的建立
• 4.5.2 材料参数
• 4.5.3 载荷边界条件
• 4.5.4 模拟结果和分析
• 4.6 试验验证
• 4.6.1 试验步骤
• 4.6.2 试验结果和分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 摩擦热对成型制品的影响分析
• 5.1 引言
• 5.2 原料的热物性参数
• 5.2.1 比热测试
• 5.2.2 导热系数测试
• 5.3 固化成型热传导控制方程
• 5.4 温度场有限元模拟
• 5.4.1 模型建立和材料属性
• 5.4.2 单元选取和网格划分
• 5.4.3 载荷和边界条件
• 5.4.4 瞬态温度场求解
• 5.5 温度场结果分析
• 5.5.1 温度场总体分布规律
• 5.5.2 温度场分布对制品质量的影响
• 5.6 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文与参研课题
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表